超导百年发展历史回顾与展望

超导百年发展历史回顾与展望

摘要超导现象是物理学上一个重大的发现。本文系统回顾超导发展历史和现状，对超导微观理论和超导技术应用做简单介绍，指出目前超导发展所面临的主要困难，并对超导未来的发展进行了探讨。

关键词超导电性；临界转变温度；机制

中图分类号o4 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2013）

84-0091-02

人们将在低温下直流电阻消失的现象称为超导电性，具有超导电性的材料称为超导体。超导现象在物理学上是一项重大的发现，超导电性从被发现到现在已有百年历史，至今仍是科学家感兴趣领域之一。随着多年的发展，超导理论和超导材料制备工艺都有了长足的进步。可是目前实验室制备超导体远远还没有达到大规模应用的阶段，但一旦突破超导临界转变温度tc低缺点，超导技术将对社会和科学技术的发展产生深远的影响。就如已故超导材料权威matthias所说：“如能在常温下，例如300k左右实现超导电性，则现代文明的一切技术将发生变化。”

1超导百年发展历史概况

1908年，荷兰物理学家卡末林.昂内斯首次液化了氦气，最低温度可以达到4.2k左右，这也为超导的发现提供了技术支持。1911年，卡莫林.昂内斯在提纯水银作为实验材料时候，发现水银在温度4.2k左右出现超导电性，这是人类首次发现超导现象。由于液

化氦气设备非常昂贵，因此在应用上受到极大限制。

在1973年至1986年13年间，尽管超导电性的研究出现很多新的成果，但是临界转变温度还是没有突破tc=23.3k的记录。因此，在这时期不少理论和实验上的科研工作者甚至一致认为常规超导

体的超导转化温度不可能超过tc=30k这个关口。但就在1986年，德国科学家伯诺滋和穆勒[2]发现la-ba-cu-o化合物的超导转变温度可以达到35k。这是一项重大发现，给当时正处于低潮的超导研究打入一剂强心针，这也直接导致全世界范围内掀起探索和寻找高温超导材料的热潮。1987年超导研究继续推向高潮，2月中旬华裔科学家朱经武和吴茂昆获得转变温度为98k的超导体[3]；短短几天后我国科学家赵忠贤研究组宣布获得临界转变温度为100k的超导体[4]。超导体临界转变温度首次进入液氮温区。此后很多国家在超导研究都取得重要的成果，短短几年内铜氧化合物高温超导体临界转变温度有了很大提高。在常压下，tc可提升到133k，而在高压下，tc则可在160k以上，这也是迄今最高的记录。可高tc超导体现象非常不稳定，并且难于重复制造[5]。

2008年2月，日本东京工业学院hosono教授的研究组发现在材料lafeaso中掺杂f元素可以实现超导电性[6]。铁基超导材料首次被发现，这为超导的研究提供一个新的方向。

目前发现一半的金属元素（超过50种元素）和上千种合金和化合物具有超导电性，但它们临界转变温度t较低。因此提高超导体tc一直都是科学家研究超导主要目标。

2超导理论简介

2.1 bcs超导理论

自从超导电性被发现以来，人们一直尝试从微观理论来解释超导现象，但直到1957年，美国科学家巴丁（bardeen）、库柏（cooper）和施里弗（schrieffer）在《物理学评论》提出bcs理论，才很好解释大多数常规超导体的超导现象（所谓常规超导体指特别是80

年代以前传统研究的超导体，一般局限于s波电子配对，超导转变温度都比较低）。bcs超导理论以近似自由电子模型为基础，是在电子-声子作用很弱的前提下建立起来的理论。

在bcs理论中，认为在费米面附近的电子之间除了有相互排斥库仑力直接作用力外，它们存在通过交换声子产生相互吸引间接作用力，由于相互吸引，费米附近的电子就会两两配对，形成所谓的库柏（cooper）对。当温度低于超导转变温度时（t3超导技术的应用

由于超导体本身具有零电阻、完全抗磁性、隧道效应三大特点，这意味着超导体具有非常广阔应用前景。

3.1电力系统方面应用

在一般长距离输运电力，由于输电线有电阻，电能损耗可高达20%左右，而用超导材料做成输电设备，输电的损耗几乎为零，大大提高输电效率，带来巨大经济效益。而用超导材料还可用来制造电机，这种电机比常规的电机重量更轻，体积更小，经济上更合算。

3.2交通运输工具上应用

利用超导技术可以产生高速列车的磁悬浮。磁悬浮列车具有低噪音、无污染、安全舒适和高速高效等优点。2003年1月4日世界首条商业运行磁悬浮专线在上海正式开通，设计时速为505km，运行时速可达430km。

3.3科研上的应用

超导体可制作成超导强磁体，在高能核物理受控热核反应和凝聚态物理的研究有这广泛应用。世界上先进托卡马克装置（磁约束聚变实验研究装置）采用的磁体就是超导磁体。

3.4在医学上的应用

超导技术可以应用在核磁共振（nmr）装置上。核磁共振成像技术是一种非常精确的、非侵入式的方法对人体内部器官进行成像，它精度高，可以获得患者身体内部结构的立体图像。根据实验研究结果表明，对人的身体没有伤害。

除此以外，超导技术其他领域也有这广泛的应用。但真正理想的超导体还没有问世，这也困扰超导技术应用的主要原因。

4总结与展望

尽管超导技术应用前景非常广阔和诱人，但是真正可以大规模使用的超导材料还没有出现。如今超导的发展已有白年历史，有关超导的研究都取得长足的进步，但无论是在超导理论上主要指高温超导理论还是超导材料制备上都没有取得根本性突破。超导材料临界转变温度tc相对室温来说还是非常低，高温超导材料制备工艺还不是很好，不能规模化生产高质量超导材料，这都极大限制超导

技术的发展，超导的发展陷入低潮期。尽管存在各种各样的困难，但超导的发展前途是一片光明的，一旦超导体的临界转变温度tc

可以提升到室温，那么超导技术必定会导致一场新技术革命，根本上改变我们的生活和生产方式。因此展望未来，促进超导研究不断向前的发展，我们可以从以下几方面做好。

4.1理论和实验相结合

目前还没有一个成熟的理论可以解释高温超导体超导电性机制，但是随着对有关高温超导材料实验深入研究，科学家根据实验结果提出大量唯像理论模型，促进理论的发展；而在理论指引下，科学家继续寻找tc更高的超导材料。理论和实验相互促进，可以形成合力推动超导研究的发展。

4.2储备更多人才

由于高温超导体研究的困难是长期存在，很容易导致很多科研工作者不愿意从事超导的研究。国家应该有战略的目光，关注超导的发展，吸引更多人才，为他们创造有利于研究条件，继续探索高tc的超导体。

4.3走研究和产业化相结合的路子

坚持科究和应用相贯通，走科研和产业化相结合的路子，促进超导技术的发展。把技术转化商业化生产，即可以带动产业的发展，带来巨大经济效应，如磁悬浮列车、核磁共振谱仪等，最终又能为科学研究提供资金上支持，促进科研发展。

参考文献